Actieve materie geeft langzaam maar zeker zijn geheimen prijs

Bij de uitdrukking 'fasen van materie' denken veel mensen waarschijnlijk meteen aan gassen, vloeistoffen en vaste stoffen - de bekendste fasen van materie. Tussen de vloeibare en vaste fase bevindt zich echter de glasfase. Deze fase gedraagt zich als een vaste stof, maar ziet er aan de binnenkant uit als een vloeistof.

In dit typische beeld van de vier fasen van materie (gas, vloeistof, vast of glas) worden de deeltjes gezien als passief, wat betekent dat ze alleen bewegen door thermische energie en de krachten die ze ondervinden door interacties met naburige deeltjes.

De laatste jaren krijgt actieve materie echter opmerkelijk veel aandacht. Die bestaat uit deeltjes die energie met behulp van "een motortje" omzetten in gerichte beweging en die dus voortdurend uit balans zijn. En ook actieve materie kent een glasachtige fase.

Glasachtig inzicht

"Het is al jaren bekend dat actieve materie glasachtig gedrag vertoont dat relevant zou kunnen zijn voor ons begrip van celgedrag bij astma, wondgenezing en kankermetastase", zegt Liesbeth Janssen van de faculteit Applied Physics en leider van het onderzoek.

Eerste auteur en PhD onderzoeker Vincent Debets benadrukt ook deze toepassing: "Een van de meest interessante toepassingen van dit werk zal zijn voor menselijke cellen die zich gedragen als een glasachtig materiaal, zoals de cellen in astma en kanker."

De laatste jaren is er echter veel discussie geweest over het glasachtige gedrag van actieve materie, en dat heeft tot een aantal meningsverschillen geleid.

"Sommigen zeggen dat deze actieve systemen vloeibaarder zijn dan een passief glas, anderen beweren dat het systeem glaziger is, terwijl weer anderen zeggen dat het systeem vloeibaarder wordt voordat het uiteindelijk glaziger wordt", zegt Janssen.

"Met deze studie geven we een eenduidige en eenvoudige verklaring voor al deze tegenstrijdige resultaten", voegt Janssen toe.

Belang van kooilengte

"De glasachtige fase kan worden beschouwd als een grote verzameling van kooien, waarin elk deeltje alleen maar in zijn eigen kooi kan ronddartelen, maar er nooit uit kan ontsnappen (zie afbeelding)", legt Debets uit.

Belangrjk daarbij is de relatie tussen de lengte van de kooi en de zogenaamde persistentielengte, de gemiddelde afstand die een deeltje aflegt voordat het van richting verandert.

"Wanneer de persistentielengte kleiner is dan de kooilengte, kunnen de actieve deeltjes hun kooi verkennen op zoek naar een opening. Als ze kunnen ontsnappen, gedragen ze zich als passieve deeltjes in een vloeistof. Maar wanneer de persistentielengte groter is dan de kooilengte, kunnen de deeltjes hun kooi niet meer efficiënt aftasten en komen ze vast te zitten in de kooi. Als gevolg daarvan vertoont het systeem meer glasachtig gedrag, waarbij het systeem eigenschappen heeft als een vaste stof."

Doorbraak

En het is deze waarneming die de grote doorbraak betekent. "Dit verklaart alle eerdere, schijnbaar verwarrende resultaten in de literatuur. Die studies zijn allemaal uitgevoerd bij verschillende waarden van de persistentielengte, en als zodanig uitgevoerd op verschillende afstanden ten opzichte van de kooilengte", legt Janssen uit.

De kooilengte is een zeer belangrijk natuurkundig concept, dat al heeft geholpen om beter te begrijpen waarom een passief materiaal vaster wordt wanneer het van een vloeistof in een glas verandert. 

Door alle systeemdynamica terug te brengen tot het eenvoudige principe van hoe de persistentielengte zich verhoudt tot de kooilengte, hebben de onderzoekers de verschillende voorstellen uit de literatuur met elkaar in overeenstemming gebracht.

Toepassingen in de gezondheidszorg

Voor de vervolgstudie zijn de onderzoekers van plan om het effect van de kooilengte op levende actieve glasvormige materie in echte biologische cellagen te bestuderen. 

"In de toekomst willen we onderzoeken hoe de fysica het gedrag van de cellen dicteert. Misschien kunnen we de kooilengte, en daarmee het glasachtige gedrag van de cellen, aanpassen door hun vorm te veranderen. Dit zou het bijvoorbeeld moeilijker kunnen maken voor tumorcellen om zich los te maken van de primaire tumor en uit te zaaien.”

“Een andere mogelijkheid is dat we, door de kooilengte rechtstreeks te bepalen uit de momentopnames van een cellaag, kunnen voorspellen of deze zich in een vloeibare of glasachtige fase bevindt, wat kan leiden tot nieuwe medische diagnostische benaderingen", aldus Debets.

Dit nieuwe onderzoek werpt nieuw licht op het gedrag van actieve glasachtige materie.

INFORMATIE OVER HET ARTIKEL

“Cage Length Controls the Nonmonotonic Dynamics of Active Glassy Matter”, Vincent E. Debets, Xander M. de Wit, and Liesbeth M.C. Janssen, Physical Review Letters (2021).

BNR NIEUWSRADIO INTERVIEW

Op BNR Nieuwsradio sprak onderzoeker Vincent Debets over het onderzoek. Luister hier naar het interview.